液膜厚度的影響因素與MATLAB仿真

楊晨霞，王戰(zhàn)中，張保真

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和汽車噴涂業(yè)的發(fā)展，汽車整體噴涂質(zhì)量得到迅速發(fā)展和提升，噴涂工藝日趨完善?，F(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，汽車噴涂是一種典型的工業(yè)噴涂，已經(jīng)成為當(dāng)今適應(yīng)性最強(qiáng)、用途最廣的表面處理技術(shù)[1-2]。高速旋杯式靜電噴涂工藝由于其自身的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于汽車噴涂領(lǐng)域[3]。旋杯內(nèi)液膜厚度對噴涂技術(shù)的發(fā)展起著重要的作用。為了有效地提升涂料的霧化效果，保證旋杯內(nèi)液膜處于理想厚度，對各影響因素與旋杯內(nèi)液膜厚度的關(guān)系進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析得到各影響因素的最佳取值范圍，在實(shí)際噴涂過程中盡量控制各影響因素處于合理的取值范圍，從而為選擇各項(xiàng)參數(shù)值提供理論依據(jù)和參數(shù)取值指導(dǎo)。

1 影響霧化效果的變量研究歷程

天津大學(xué)的丁寧對液體射流破碎機(jī)理進(jìn)行了研究[4]。廣東工業(yè)大學(xué)的彭成新在其碩士學(xué)位論文中提出靜電噴涂過程中輸入多變量(如噴涂電壓、旋杯轉(zhuǎn)速、噴涂間距等)，且各變量均為非線性變量，則變量間的耦合關(guān)系極其復(fù)雜。按照遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在多次調(diào)節(jié)輸入變量，可得到較理想的組合變量，獲得較高的噴涂效果[5]。只有充分考慮霧滴空間分布的諸多因素(如：旋轉(zhuǎn)限幅空氣、噴涂量、靜電高壓、旋杯轉(zhuǎn)速等)，才能使噴涂效果更趨近現(xiàn)實(shí)狀態(tài)[6-7]。

2 影響旋杯液膜厚度的影響因素

2.1 旋杯內(nèi)液膜厚度的理論研究

旋杯內(nèi)液膜厚度的一般表達(dá)式為[8]：

(1)

式中，μ為涂料黏度，kg/(m·s)；Q為噴涂過程中的流量，mL/min；ρ為涂料密度，kg/m3；d為旋杯直徑，mm；n為旋杯轉(zhuǎn)速，r/min；θ為旋杯錐角，(°)。

由公式(1)可知，旋杯內(nèi)液膜厚度與旋杯轉(zhuǎn)速、噴涂流量、旋杯直徑、旋杯錐角、涂料密度和涂料黏度因素有關(guān)。利用MATLAB軟件對以上各因素與液膜厚度之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

旋杯內(nèi)液膜的厚度影響著涂料的霧化情況，間接影響靜電涂裝效果。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)旋杯內(nèi)液膜的厚度在25～30 μm范圍時(shí)，靜電涂裝效果最佳。

2.2 旋杯內(nèi)液膜厚度的實(shí)驗(yàn)研究

由于旋杯轉(zhuǎn)速是影響液膜厚度的最主要因素，因此以旋杯轉(zhuǎn)速為自變量，研究旋杯轉(zhuǎn)速對液膜厚度的影響關(guān)系?；緟?shù)設(shè)置如下：流量為100 mL/min，旋杯直徑為55 mm，旋杯錐角為20°，涂料密度為1 200 kg/m3，涂料黏度為0.005 kg/(m·s)。

圖1為旋杯轉(zhuǎn)速對液膜厚度的影響關(guān)系圖。由圖1可知，在其他參數(shù)保持不變的情況下，旋杯轉(zhuǎn)速與液膜厚度成反比關(guān)系。旋杯轉(zhuǎn)速越高，液膜厚度越小。由圖像斜率可知，隨著旋杯轉(zhuǎn)速的增大，旋杯轉(zhuǎn)速對液膜厚度的影響越小。旋杯轉(zhuǎn)速小于30 000 r/min時(shí)，液膜厚度受旋杯轉(zhuǎn)速的影響更大。為了保證涂裝效果和旋杯的使用壽命，保持液膜厚度在25～30 μm范圍附近，應(yīng)控制旋杯轉(zhuǎn)速為30 000～45 000 r/min。旋杯轉(zhuǎn)速過低，涂料霧化效果較差；若旋杯長期處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，將加劇軸承磨損。

圖2為流量對液膜厚度的影響關(guān)系圖。由圖2可知，在其他參數(shù)保持不變的情況下，流量與液膜厚度成正比關(guān)系。流量越大，液膜厚度越大。由圖像斜率可知，隨著流量的增大，流量對液膜厚度的影響越小。流量小于50 mL/min時(shí)，液膜厚度受流量的影響更大。對比三條曲線可知，當(dāng)流量一定時(shí)，旋杯轉(zhuǎn)速越高，液膜厚度越小。為了保證涂裝效果，保持液膜厚度在25～30 μm范圍附近，應(yīng)控制流量為50～200 mL/min。

圖3為旋杯直徑對液膜厚度的影響關(guān)系圖。由圖3可知，在其他參數(shù)保持不變的情況下，旋杯直徑與液膜厚度成反比關(guān)系。旋杯直徑越大，液膜厚度越小。由圖像斜率可知，隨著旋杯直徑的增大，旋杯直徑對液膜厚度的影響越小。旋杯直徑小于40 mm時(shí)，液膜厚度受旋杯直徑的影響更大。對比三條曲線可知，當(dāng)旋杯直徑一定時(shí)，旋杯轉(zhuǎn)速越高，液膜厚度越小。為了保證涂裝效果，保持液膜厚度在25～30 μm范圍附近，應(yīng)控制旋杯直徑為40～80 mm。

圖4為旋杯錐角對液膜厚度的影響關(guān)系圖。由圖4可知，在其他參數(shù)保持不變的情況下，旋杯錐角與液膜厚度成反比關(guān)系。旋杯錐角越大，液膜厚度越小。由圖像斜率可知，隨著旋杯錐角的增大，旋杯錐角對液膜厚度的影響越小。旋杯錐角小于40°時(shí)，液膜厚度受旋杯錐角的影響更大。對比三條曲線可知，當(dāng)旋杯錐角一定時(shí)，旋杯轉(zhuǎn)速越高，液膜厚度越小。為了保證涂裝效果，保持液膜厚度在25～30 μm 范圍附近，應(yīng)控制旋杯錐角為20°～80°。

圖5為涂料密度與液膜厚度的影響關(guān)系圖。由圖5可知，在其他參數(shù)保持不變的情況下，涂料密度與液膜厚度成反比關(guān)系。涂料密度越大，液膜厚度越小。由圖像斜率可知，隨著涂料密度的增大，涂料密度對液膜厚度的影響越小。涂料密度小于500 kg/m3時(shí)，液膜厚度受涂料密度的影響更大。對比三條曲線可知，當(dāng)涂料密度一定時(shí)，旋杯轉(zhuǎn)速越高，液膜厚度越小。為了保證涂裝效果，保持液膜厚度在25～30 μm范圍附近，應(yīng)控制涂料密度為800～2 000 kg/m3。

圖6為涂料黏度對液膜厚度的影響關(guān)系圖。由圖6可知，在其他參數(shù)保持不變的情況下，涂料黏度與液膜厚度成正比關(guān)系。涂料黏度越大，液膜厚度越大。由圖像斜率可知，隨著涂料黏度的增大，涂料黏度對液膜厚度的影響越小。涂料黏度小于0.004 kg/(m·s)時(shí)，液膜厚度受涂料黏度的影響更大。對比三條曲線可知，當(dāng)涂料黏度一定時(shí)，旋杯轉(zhuǎn)速越高，液膜厚度越小。為了保證涂裝效果，保持液膜厚度在25～30 μm范圍附近，應(yīng)控制涂料黏度為0.003～0.008 kg/(m·s)。

3 結(jié)論

1)旋杯內(nèi)液膜厚度與旋杯轉(zhuǎn)速、流量、旋杯直徑、旋杯錐角、涂料密度和涂料黏度六項(xiàng)因素相關(guān)。

2)為保證涂裝效果，保持液膜厚度在25～30 μm范圍附近，應(yīng)控制旋杯轉(zhuǎn)速為30 000～45 000 r/min，流量為50～200 mL/min，旋杯直徑為40～80 mm，旋杯錐角為20°～80°，涂料密度為800～2 000 kg/m3，涂料黏度為0.003～0.008 kg/(m·s)。